El grafeno crece y podemos verlo

28.03.2023 - Países Bajos

El grafeno es el más resistente de todos los materiales. Además, es excepcionalmente bueno para conducir el calor y las corrientes eléctricas, lo que lo convierte en uno de los materiales más especiales y versátiles que conocemos. Por todas estas razones, el descubrimiento del grafeno fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2010. Sin embargo, muchas propiedades de este material y de sus primos son aún poco conocidas, por la sencilla razón de que los átomos que lo componen son muy difíciles de observar. Un equipo de investigadores de la Universidad de Ámsterdam y la Universidad de Nueva York ha encontrado ahora una forma sorprendente de resolver este problema.

Los materiales bidimensionales, formados por una sola capa hiperfina de cristal atómico, han atraído mucha atención últimamente. Esta merecida atención se debe principalmente a sus inusuales propiedades, muy diferentes de las de sus homólogos tridimensionales "a granel". El grafeno, su representante más famoso, y muchos otros materiales bidimensionales son objeto de intensas investigaciones en laboratorio. Sorprendentemente, para las propiedades especiales de estos materiales son cruciales los defectos, lugares donde la estructura cristalina no es perfecta. Allí, la disposición ordenada de la capa de átomos se ve alterada y la coordinación de los átomos cambia localmente.

Visualización de átomos

A pesar de que se ha demostrado que los defectos son cruciales para las propiedades de un material, y de que casi siempre están presentes o se añaden a propósito, no se sabe mucho sobre cómo se forman y cómo evolucionan con el tiempo. La razón es sencilla: los átomos son demasiado pequeños y se mueven demasiado rápido para seguirlos directamente.

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En un esfuerzo por hacer observables los defectos en materiales similares al grafeno, el equipo de investigadores del Instituto de Física de la Universidad de Virginia y la Universidad de Nueva York halló una forma de construir modelos micrométricos de grafeno atómico. Para ello utilizaron las llamadas "partículas parcheadas". Estas partículas, lo bastante grandes para ser visibles al microscopio, pero lo bastante pequeñas para reproducir muchas de las propiedades de los átomos reales, interactúan con la misma coordinación que los átomos del grafeno y forman la misma estructura. Los investigadores construyeron un sistema modelo y lo utilizaron para comprender mejor los defectos, su formación y su evolución en el tiempo. Sus resultados se publican en Nature Communications.

Construcción del grafeno

El grafeno está formado por átomos de carbono que tienen tres vecinos cada uno, dispuestos en la conocida estructura de "panal de abeja". Esta estructura especial confiere al grafeno unas propiedades mecánicas y electrónicas únicas. Para conseguir la misma estructura en su modelo, los investigadores utilizaron partículas diminutas de poliestireno, decoradas con tres parches aún más diminutos de un material conocido como 3-(trimetoxisilil)propil, o TPM para abreviar. La configuración de los parches de TPM imitaba la coordinación de los átomos de carbono en la red de grafeno. A continuación, los investigadores hicieron atractivos los parches para que las partículas pudieran formar enlaces entre sí, de nuevo por analogía con los átomos de carbono del grafeno.

Tras unas horas de reposo, las partículas de "carbono simulado", observadas al microscopio, se organizaron formando una red en forma de panal. A continuación, los investigadores examinaron con más detalle los defectos de la red de grafeno modelo. Observaron que también en este aspecto el modelo funcionaba: mostraba motivos de defectos característicos que también se conocen del grafeno atómico. A diferencia del grafeno real, la observación directa y el largo tiempo de formación del modelo permitieron a los físicos seguir estos defectos desde el inicio de su formación hasta su integración en la red.

Resultados inesperados

La nueva mirada al crecimiento de materiales similares al grafeno condujo inmediatamente a nuevos conocimientos sobre estas estructuras bidimensionales. Inesperadamente, los investigadores descubrieron que el tipo más común de defecto se forma ya en las fases iniciales del crecimiento, cuando la red aún no se ha establecido. También observaron cómo el desajuste de la red se "repara" a continuación con otro defecto, dando lugar a una configuración de defectos estable, que permanece o se repara muy lentamente hasta alcanzar una red más perfecta.

Así, el sistema modelo no sólo permite reconstruir la red de grafeno a mayor escala para todo tipo de aplicaciones, sino que las observaciones directas también permiten comprender la dinámica atómica en esta clase de materiales. Dado que los defectos son fundamentales para las propiedades de todos los materiales atómicamente finos, estas observaciones directas en sistemas modelo ayudan a seguir diseñando las contrapartes atómicas, por ejemplo para aplicaciones en materiales ultraligeros y dispositivos ópticos y electrónicos.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.